《李家彪等:深海矿产资源开发技术关键技术、环境影响挑战、发展趋势与建议》

  • 来源专题:关键矿产
  • 编译者: 欧冬智
  • 发布时间:2023-07-13
  • 关键技术和环境影响挑战
    1、技术装备挑战
    (1) 深海采矿系统极其庞大
    深海矿产资源开发是一项庞大且极其复杂的系统工程,涉及矿区资源勘探、采矿作业、矿物预处理以及全过程中的环境保护与恢复,开发过程受严格的环保要求及复杂海洋环境等方面的约束,技术体系极为复杂,其理论支撑、体系结构、作业模式、可靠性及运维技术等环节亟待提高。
    (2) 深水环境条件极端恶劣
    深海采矿通常是在水深可达 6000 m的海域进行,海洋环境下的风、浪、流以及内波等条件,将对于水面支持船、提升管道、海底采矿车在其安装、生产、维护、风险规避以及回收等各个阶段的正常运作和安全有着重要影响。 此外,深海地质、地形、水深、矿石赋存形式的复杂性,对于采矿车海底作业有着巨大挑战。
    (3) 泵管关键设备可靠性不足
    长距离输送中,单台提升泵难以满足水深要求,多级提升泵串联则需要实现功率扬程匹配,系统可靠性面临较大挑战。提升泵的耐腐蚀、耐磨损、耐冲击等技术难题仍未解决。矿石提升系统中大颗粒固液两相流存在堵塞风险,在复杂海洋环境中超长管系的动力响应机理还不明确,对于管道系统的可靠性设计研究不够深入。
    (4) 多元信息融合和协同作业困难
    海底采矿车定位导航困难, 需设计以惯性导航为主,多普勒测速仪、深度计、高度计、声呐、水下摄像装置等传感器为辅的综合导航系统,基于多传感器信息融合技术,实现水下采矿车的精准定位、协同控制和精确跟踪。目前国产组合导航定位装备和算法的深水定位精度不够;国产大功率深水电缆和光纤技术的稳定性与可靠性有待提高;深海传感器、水密接插件、中央控制系统等关键元器件较多依赖进口,自有产品的稳定性和可靠性仍需进一步提高。
相关报告
  • 《未来10-15年全球技术发展趋势——近期主流科技报告趋势判断》

    • 来源专题:科技大数据监测服务平台
    • 编译者:zhoujie
    • 发布时间:2019-09-11
    • 课题组经过收集整理,共遴选了76篇国内外权威报告、计划,逐一解读并梳理出其中所涉及的1152项重点技术,并对每项技术进行不超过两个标签的所属领域标注。其中,面向2019年及之前的报告、计划或年度评价榜单36篇,涉及833项代表近期突破或短期计划的技术(双重标签的技术重复计算数量);面向2020年及以后的计划、前瞻报告40篇,涉及514项代表中长期预测或战略布局的技术(双重标签的技术重复计算数量)(如表所示)。从统计及分析结果来看,呈现出三个重要的趋势。 一是信息技术、生物医药、新材料领域在较长一段时期内仍将是关注热点。无论是近期还是中长期相关报告,信息技术、生物医药和新材料领域的相关技术数量均名列前茅。其中,信息技术领域的布局主要体现在美国、中国、日本、俄罗斯、欧盟等国家和地区的中长期规划中,涉及具体技术领域包括信息安全与管理、人工智能算法及应用、人工智能芯片及智能硬件、信息接入与新型传感器、物联网、网络接入、区块链、脑机接口、量子计算机等。生物医药领域的布局主要体现在美国、中国、俄罗斯、英国、日本、欧盟、印度等国家和地区的中长期规划中,涉及的具体技术领域包括脑及神经研究、基因编辑与合成、基于分子和细胞的早期检测、材料及耗材、精准医学、癌症治疗、远程及可穿戴医护设备、肢体和器官的再生及增强、痴呆症护理等。新材料领域的布局主要体现在美国、中国大陆、俄罗斯、英国、日本、中国台湾等国家和地区的中长期规划中,涉及的具体技术领域包括新型半导体材料、超导材料、仿生和医用材料、电池材料、复合材料和塑料、可再生和可降解塑料、纳米材料、轻量化及高强结构材料、石墨烯、材料的仿真和测试技术等。 二是能源及资源、航空航天、环境等领域是未来关注的重点,但短期内难以有关键性突破。能源及资源相关领域的技术出现频次在近期相关报告中列第6位,在中长期相关报告中提升至第3位;航空航天相关领域的技术出现的频次在近期相关报告中列第8位,在中长期相关报告中提升至第5位;环境相关领域的技术出现的频次在近期相关报告中列第16位,在中长期相关报告中提升至第6位。其中,能源及资源领域的布局主要来源于美国、中国、俄罗斯、欧盟、日本、英国、印度等国家和地区的中长期规划,涉及的具体技术领域包括催化制氢、核电及核废物处理、非常规油气及矿产开采、电池及储能、柔性和智能电网、太阳能、碳捕捉、高温超导、资源循环、太阳能、生物质资源、水管理等。航空航天领域的布局主要来源于美国、俄罗斯、中国、英国等国家的中长期规划,涉及的具体技术领域包括大型飞机制造及控制系统、先进航空发动机、电驱飞机、卫星集群、火星探测、空间站建设、新型火箭等。环境领域的布局主要来源于俄罗斯、美国、欧盟、日本等国家和地区的中长期规划,涉及的具体技术领域包括太阳辐射管理、地球工程、全球气候变化及极端灾害应对、废水及废弃物循环利用等。 三是人工智能、先进制造、机器人、集成电路等领域的关注热度在中长期展望中有所回落。人工智能相关领域的技术出现的频次在近期相关报告中排名第4位,但在中长期相关报告中仅列第7位;先进制造相关领域的技术出现的频次在近期相关报告中排名第5位,但在中长期相关报告中仅列第8位;机器人相关领域的技术出现的频次在近期相关报告中排名第7位,但在中长期相关报告仅列第10位;集成电路相关领域的技术出现的频次在近期相关报告中排名第9位,但在中长期相关报告中仅列第18位。其中,人工智能领域的布局主要来源于美国、中国大陆、欧盟、俄罗斯、中国台湾等国家和地区的中长期规划,涉及学习算法、传感控制、智能识别、超级人工智能、人工智能处理器、人机交互、自然语言处理、自动驾驶等具体技术领域。先进制造领域的布局主要来源于美国、中国等国家的中长期规划,涉及数控装备、核心软件、工业机器人、纳米机械及纳米制造、增材制造、测试及制造技术等具体技术领域。机器人领域的布局主要来源于美国、日本、中国台湾等国家和地区的中长期规划,涉及工业机器人、服务及家用机器人、农业机器人、纳米机器人、无人机、自动驾驶、外骨骼等具体技术领域。集成电路领域的布局主要来源于美国、中国、日本等国家的中长期规划,涉及新一代集成电路材料、高密度及3D封装、芯片设计、导航芯片等具体技术领域。
  • 《海洋领域国际科技发展趋势分析》

    • 来源专题:中国科学院文献情报系统—海洋科技情报网
    • 编译者:高峰
    • 发布时间:2017-03-20
    • 摘 要: 21世纪是海洋世纪,围绕海洋权益、海洋资源开发,世界各临海国家纷纷推出了新的海洋发展战略和海洋科技发展规划。美国实施了海洋行动计划,绘制了未来十年海洋科技发展路线图;英国前瞻2025年,实施了《2025海洋计划》,全面发展海洋科技,尤其在海洋新能源的开发利用技术方面走在了前面;加拿大也实施了海洋行动计划,并将未来重点瞄准北极海域;日本推出了《海洋基本法草案》,全面推进其海洋强国战略;俄罗斯欲恢复其海洋强国地位,依托科技打造海洋军事和航运强国。中国周遍国家越南、印度、韩国等也推出了雄心勃勃的海洋战略。 20世纪80年代以来,围绕海洋科技的发展,国际组织和众多国家联合相继推出了一系列大型海洋研究和观测计划,诸如:地球系统的协同观测与预报体系(COPES),海岸带陆海相互作用-I、II(LOICZ-I和LOICZ-II),上层海洋-低层大气研究计划(SOLAS),海洋生物地球化学和海洋生态系统综合研究计划(IMBER,),国际综合大洋钻探计划(IODP),国际海洋生物普查计划(CoML),全球有害藻华海洋与生态学计划(GEOHAB),全球海洋观测系统(GOOS),全球实时海洋观测计划(ARGO),全球海洋碳观测系统(GOCOS),欧洲海洋观测数据网络(EMODNET),欧洲海底观测网计划(ESONET)等等。从这些研究计划的发展和演变,可以看出国际海洋科技发展的前沿领域与发展趋势。 在ISI Web of Knowledge上检索到2001—2008年SCIE数据库海洋领域的25种影响因子大于2.0的科技期刊,加上Nature(《自然》)和Science(《科学》)总共27种期刊共计25426篇文献。基于这些样本数据,对海洋科技领域的现状和态势进行了比较分析。发文量前10个国家为:美国、英国、加拿大、德国、澳大利亚、法国、日本、西班牙、荷兰和意大利,中国排在第12位。发文量前10位的机构为:美国国家大气与海洋管理局(NOAA)、伍兹霍尔海洋研究所(WHIO)、华盛顿大学、俄勒冈州立大学、阿尔弗雷德.魏格纳基地和海洋研究所、西班牙高等研究委员会(CSIC)、加利福尼亚大学圣地亚哥分校、加拿大海洋渔业局、东京大学和南昆士兰州詹姆斯科克大学。中国科学院排名第36,中国海洋大学第145。海洋科技关键词出现频次前10位包括:珊瑚、营养物质、浮游植物、深海研究、沉积物、河口研究、碳研究、鱼类、基因和海洋生态。根据Aureka专利数据库,对2005年到2008年的几大专利库的海洋科技领域专利进行分析,生成专利地图,显示出7个显著的专利群:船舶及海洋仪器驱动技术;海洋能源开发技术;引擎技术;海洋矿产资源开发技术;船舶运行控制系统;海水淡化及水产养殖技术;海洋生物资源开发与利用技术。 根据国际海洋研究计划和报告分析,结合文献计量分析和专家咨询结果,概括了海洋科技国际发展的七大前沿领域: (1)海洋(海岸)生态系统,包括海洋生态系统健康发展与海洋渔业资源开发,人类活动和全球环境变化对海洋生态系统的影响,基于生态系统的海岸带管理等三个前沿方向; (2)海洋生物技术,包括基因组学与基因转移、病原生物学与免疫、发育与生殖生物学基础、海洋环境生物技术和生物活性及其产物等五个方向; (3)深海环境与生命科学研究,包括深海生物的演化——生命起源问题、深海环境特征和深海微生物研究三个方向; (4)海洋能源开发,包括深水油气资源勘探开发、海洋天然气水合物开发和海洋新能源开发利用三个方向; (5)北极海洋综合研究,包括北极油气资源勘探开发、北极环境影响评价、北极海洋地质研究三个方向; (6)海洋观测技术发展,包括卫星海洋遥感、深水观测和表面观测三个方向; (7)海洋环流与气候,包括西边界流动力学、热带海洋动力学、海洋模式发展四个方向。给出了每个前沿领域的主要科学技术问题。 分析概括了海洋科技发展的7个趋势: (1)针对国家社会经济安全的需求导向更加突出,成为推进海洋科技发展的强大动力; (2)将地球系统科学贯穿到海洋科学研究,形成海洋大科学整体研究思想; (3)海洋技术的发展成为海洋科学取得突破的关键因素; (4)重大海洋研究计划的组织方式已经并还将继续成为海洋科学研究的重要方式; (5)对海洋能源的开发利用技术发展将成为未来20年海洋科技关注的重要焦点之一; (6)从单一学科和局部区域的分散观测转向综合的全球海洋观测系统的发展; (7)从单纯自然科学研究转向注重结合人文科学和综合管理研究的发展。 报告最后分析了国际海洋科技发展的启示以及对我国海洋科技发展的建议。